Odpuszczanie (metalurgia) - Tempering (metallurgy)

Stal hartowana inaczej. Różne wytwarzane kolory wskazują temperaturę, do której nagrzano stal. Jasnosłomkowy wskazuje 204 ° C (399 ° F), a jasnoniebieski wskazuje 337 ° C (639 ° F).

Odpuszczanie to proces obróbki cieplnej, który jest stosowany w celu zwiększenia ciągliwości z żelaza opartych o stopów . Odpuszczanie jest zwykle wykonywane po utwardzeniu , aby zmniejszyć część nadmiernej twardości , i jest wykonywane przez podgrzanie metalu do pewnej temperatury poniżej punktu krytycznego przez pewien czas, a następnie pozostawienie go do ostygnięcia w nieruchomym powietrzu. Dokładna temperatura określa wielkość usuwanej twardości i zależy zarówno od konkretnego składu stopu, jak i od pożądanych właściwości gotowego produktu. Na przykład bardzo twarde narzędzia są często odpuszczane w niskich temperaturach, podczas gdy sprężyny są odpuszczane w znacznie wyższych temperaturach.

Wprowadzenie

Mikrofotografia martenzytu, bardzo twardej mikrostruktury powstałej podczas hartowania stali. Odpuszczanie zmniejsza twardość martenzytu poprzez przekształcenie go w różne formy odpuszczonego martenzytu.

Odpuszczanie jest techniką obróbki cieplnej stosowaną do stopów żelaza , takich jak stal lub żeliwo , w celu uzyskania większej ciągliwości poprzez zmniejszenie twardości stopu. Zmniejszeniu twardości zwykle towarzyszy wzrost plastyczności , zmniejszając w ten sposób kruchość metalu. Odpuszczanie jest zwykle wykonywane po hartowaniu , czyli szybkim schłodzeniu metalu w celu wprowadzenia go w najtwardszy stan. Odpuszczanie odbywa się poprzez kontrolowane ogrzewanie hartowanego przedmiotu obrabianego do temperatury poniżej jego „niższej temperatury krytycznej ”. Jest to tak zwany również niższa temperatura przetwarzania lub niższy zatrzymania (A 1 ) temperatury; temperatura, w której krystaliczne fazy stopu, zwane ferrytem i cementytem , zaczynają się łączyć, tworząc jednofazowy stały roztwór nazywany austenitem . Unika się ogrzewania powyżej tej temperatury, aby nie zniszczyć bardzo twardej, wygaszonej mikrostruktury, zwanej martenzytem .

Precyzyjna kontrola czasu i temperatury podczas procesu odpuszczania ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia pożądanej równowagi właściwości fizycznych. Niskie temperatury odpuszczania mogą jedynie złagodzić naprężenia wewnętrzne, zmniejszając kruchość przy zachowaniu większości twardości. Wyższe temperatury odpuszczania powodują większe zmniejszenie twardości, poświęcając pewną granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie dla zwiększenia elastyczności i plastyczności . Jednak w przypadku niektórych stali niskostopowych , zawierających inne pierwiastki, takie jak chrom i molibden , odpuszczanie w niskich temperaturach może powodować wzrost twardości, podczas gdy w wyższych temperaturach twardość będzie spadać. Wiele stali o wysokich stężeniach tych pierwiastków stopowych zachowuje się jak stopy utwardzane wydzieleniowo , co daje odwrotne efekty w warunkach hartowania i odpuszczania, i określa się je mianem stali maraging .

W stalach węglowych odpuszczanie zmienia rozmiar i rozkład węglików w martenzycie, tworząc mikrostrukturę zwaną „odpuszczonym martenzytem”. Odpuszczanie przeprowadza się również na znormalizowanych stalach i żeliwach w celu zwiększenia ciągliwości, skrawalności i udarności. Stal jest zwykle odpuszczana równomiernie, zwana „odpuszczaniem na wskroś”, co daje prawie jednorodną twardość, ale czasami jest ogrzewana nierównomiernie, nazywane „odpuszczaniem różnicowym”, co powoduje zmianę twardości.

Historia

Hartowanie to starożytna technika obróbki cieplnej. Najstarszym znanym przykładem hartowanego martenzytu jest kilof znaleziony w Galilei , pochodzący z około 1200 do 1100 roku pne. Proces był używany w całym starożytnym świecie, od Azji po Europę i Afrykę. W starożytności próbowano wielu różnych metod i kąpieli chłodzących do hartowania, od hartowania w moczu, krwi lub metalach, takich jak rtęć lub ołów, ale proces odpuszczania pozostał stosunkowo niezmieniony na przestrzeni wieków. Hartowanie było często mylone z hartowaniem i często termin ten był używany do opisania obu technik. W 1889 roku Sir William Chandler Roberts-Austen napisał: „W pismach nawet wybitnych autorytetów nadal istnieje tak wiele nieporozumień między słowami„ temperament ”,„ temperament ”i„ hartowanie ”, że dobrze jest zachować te stare uważnie pamiętając o definicjach. Użyję słowa hartowanie w tym samym znaczeniu, co zmiękczanie ”.

Terminologia

W metalurgii można spotkać wiele terminów, które mają bardzo specyficzne znaczenie w tej dziedzinie, ale patrząc z zewnątrz, mogą wydawać się niejasne. Pojęcia takie jak „twardość”, „odporność na uderzenia”, „twardość” i „wytrzymałość” mogą mieć wiele różnych konotacji, przez co czasami trudno jest dostrzec ich konkretne znaczenie. Niektóre z napotkanych terminów i ich szczegółowe definicje to:

Stal węglowa

Bardzo niewiele metali reaguje na obróbkę cieplną w ten sam sposób lub w takim samym stopniu, jak stal węglowa , a właściwości obróbki cieplnej stali węglowej mogą się radykalnie różnić w zależności od pierwiastków stopowych. Stal można zmiękczyć do bardzo plastycznego stanu poprzez wyżarzanie lub można ją utwardzić do stanu tak twardego i kruchego jak szkło przez hartowanie . Jednak w stanie utwardzonym stal jest zwykle zbyt krucha i brakuje jej odporności na pękanie, aby była użyteczna w większości zastosowań. Odpuszczanie jest metodą stosowaną w celu zmniejszenia twardości, a tym samym zwiększenia plastyczności hartowanej stali, aby nadać metalowi pewną sprężystość i plastyczność. Pozwala to metalowi zginać się przed złamaniem. W zależności od stopnia odpuszczenia stali może ona zginać się elastycznie (stal powraca do swojego pierwotnego kształtu po usunięciu obciążenia) lub może zginać się plastycznie (stal nie powraca do swojego pierwotnego kształtu, co skutkuje trwałym odkształceniem ), przed pęknięciem . Hartowanie służy do precyzyjnego zbilansowania właściwości mechanicznych metalu, takich jak wytrzymałość na ścinanie , granica plastyczności , twardość , ciągliwość i wytrzymałość na rozciąganie , w celu uzyskania dowolnej kombinacji właściwości, dzięki czemu stal nadaje się do wielu różnych zastosowań. Narzędzia takie jak młotki i klucze wymagają dobrej odporności na ścieranie, uderzenia i odkształcenia. Sprężyny nie wymagają tak dużej odporności na zużycie, ale muszą odkształcać się elastycznie bez pękania. Części samochodowe są zwykle trochę mniej wytrzymałe, ale przed pęknięciem muszą odkształcać się plastycznie.

Z wyjątkiem rzadkich przypadków, w których wymagana jest maksymalna twardość lub odporność na zużycie, takich jak stal nie odpuszczona używana do produkcji pilników , stal hartowana jest prawie zawsze do pewnego stopnia odpuszczana. Jednak czasami stal jest wyżarzana w procesie zwanym normalizowaniem , pozostawiając stal tylko częściowo zmiękczoną. Czasami stosuje się odpuszczanie normalizowanej stali w celu dalszego jej zmiękczenia, zwiększając plastyczność i skrawalność, co ułatwia obróbkę metali . Hartowanie może być również stosowane na spawanej stali, aby złagodzić niektóre naprężenia i nadmierną twardość powstałe w strefie wpływu ciepła wokół spoiny.

Stal hartowana

Odpuszczanie przeprowadza się najczęściej na stali, który został ogrzany powyżej swojej górnej krytycznej (A 3 ) temperatury, a następnie szybko schładzane, w procesie zwanym chłodzeniu stosuje się metody takie jak zanurzanie na gorąco stali w wodzie, oleju, albo wymuszonego obiegu powietrza. Stal hartowaną, umieszczoną w najtwardszym możliwym stanie lub bardzo blisko, jest następnie odpuszczana w celu stopniowego zmniejszania twardości do punktu bardziej odpowiedniego dla żądanego zastosowania. Twardość hartowanej stali zależy zarówno od szybkości chłodzenia, jak i od składu stopu. Stal o wysokiej zawartości węgla osiągnie znacznie twardszy stan niż stal o niskiej zawartości węgla. Podobnie, odpuszczanie stali wysokowęglowej do określonej temperatury daje stal, która jest znacznie twardsza niż stal niskowęglowa odpuszczana w tej samej temperaturze. Wpływ ma również czas utrzymywania temperatury odpuszczania. Odpuszczanie w lekko podwyższonej temperaturze przez krótszy czas może dać taki sam efekt jak odpuszczanie w niższej temperaturze przez dłuższy czas. Czasy odpuszczania różnią się w zależności od zawartości węgla, rozmiaru i pożądanego zastosowania stali, ale zwykle wahają się od kilku minut do kilku godzin.

Odpuszczanie hartowanej stali w bardzo niskich temperaturach, między 66 a 148 ° C (151 a 298 ° F), zwykle nie będzie miało większego wpływu poza nieznacznym złagodzeniem niektórych naprężeń wewnętrznych i zmniejszeniem kruchości. Odpuszczanie w wyższych temperaturach, od 148 do 205 ° C (298 do 401 ° F), spowoduje niewielkie zmniejszenie twardości, ale przede wszystkim złagodzi wiele naprężeń wewnętrznych. W niektórych stalach o niskiej zawartości stopów odpuszczanie w zakresie 260 i 340 ° C (500 i 644 ° F) powoduje zmniejszenie ciągliwości i wzrost kruchości i jest określane jako „kruchość martenzytu odpuszczonego” (TME) zasięg. Z wyjątkiem kowalstwa, zakres ten jest zwykle unikany. Stal wymagająca większej wytrzymałości niż wiązkość, taka jak narzędzia, zwykle nie jest odpuszczana powyżej 205 ° C (401 ° F). Zamiast tego, zmiana twardości jest zwykle spowodowana zmianą tylko czasu odpuszczania. Gdy pożądana jest zwiększona ciągliwość kosztem wytrzymałości, stosuje się wyższe temperatury odpuszczania, od 370 do 540 ° C (698 do 1004 ° F). Odpuszczanie w jeszcze wyższych temperaturach, między 540 a 600 ° C (1004 a 1112 ° F), zapewni doskonałą udarność, ale przy poważnym zmniejszeniu wytrzymałości i twardości. W temperaturze 600 ° C (1112 ° F) stal może doświadczyć kolejnego etapu kruchości, zwanego „kruchością odpuszczania” (TE), który występuje, gdy stal jest utrzymywana w zakresie temperatur kruchości odpuszczania przez zbyt długi czas. Podczas ogrzewania powyżej tej temperatury stal zwykle nie jest utrzymywana przez dłuższy czas i szybko schładza się, aby uniknąć kruchości odpuszczania.

Stal znormalizowana

Stal, która została podgrzana powyżej górnej temperatury krytycznej, a następnie schłodzona w powietrzu stojącym, nazywana jest stalą znormalizowaną. Stal znormalizowana składa się z ziaren perlitu , martenzytu, a czasem bainitu , zmieszanych razem w mikrostrukturze. Daje to stal, która jest znacznie mocniejsza niż stal w pełni wyżarzona i znacznie twardsza niż hartowana stal hartowana. Jednak czasami potrzebna jest dodatkowa wytrzymałość przy zmniejszeniu wytrzymałości. Odpuszczanie zapewnia sposób na ostrożne zmniejszenie twardości stali, zwiększając w ten sposób udarność do bardziej pożądanego punktu. Stal lana jest często normalizowana, a nie wyżarzana, aby zmniejszyć ilość odkształceń, które mogą wystąpić. Odpuszczanie może dodatkowo zmniejszyć twardość, zwiększając ciągliwość do punktu bardziej przypominającego wyżarzoną stal. W przypadku stali węglowych często stosuje się odpuszczanie, uzyskując podobne wyniki. Proces ten, zwany „normalizacją i odpuszczaniem”, jest często stosowany w przypadku stali, takich jak stal węglowa 1045 lub większość innych stali zawierających od 0,35 do 0,55% węgla. Stale te są zwykle odpuszczane po normalizacji, aby zwiększyć wytrzymałość i zmniejszyć naprężenia wewnętrzne. Może to uczynić metal bardziej odpowiednim do zamierzonego zastosowania i łatwiejszym w obróbce .

Spawana stal

Na stal, która była spawana łukowo , gazowo lub w jakikolwiek inny sposób poza spawaniem kowalskim , wpływa w zlokalizowanym obszarze ciepło z procesu spawania. Ten zlokalizowany obszar, zwany strefą wpływu ciepła (HAZ), składa się ze stali, która różni się znacznie pod względem twardości, od stali znormalizowanej do stali prawie tak twardej jak stal hartowana w pobliżu krawędzi tej strefy wpływu ciepła. Skurcz termiczny spowodowany nierównomiernym nagrzewaniem, krzepnięciem i chłodzeniem powoduje wewnętrzne naprężenia w metalu, zarówno wewnątrz, jak i wokół spoiny. Hartowanie jest czasami używane zamiast odprężenia (równomiernego ogrzewania i chłodzenia całego obiektu tuż poniżej 1 temperatury) zarówno w celu zmniejszenia naprężeń wewnętrznych i zmniejszenia kruchości wokół spoiny. Miejscowe odpuszczanie jest często stosowane na spoinach, gdy konstrukcja jest zbyt duża, skomplikowana lub w inny sposób zbyt niewygodna, aby równomiernie ogrzać cały obiekt. Temperatury odpuszczania w tym celu wynoszą zwykle około 205 ° C (401 ° F) i 343 ° C (649 ° F).

Ugasić i uspokoić

Nowoczesne pręty zbrojeniowe o wytrzymałości 500 MPa mogą być wykonane z drogiej stali mikrostopowej lub w procesie hartowania i samoczynnego odpuszczania (QST). Po wyjściu pręta z ostatniego przejścia walcowania, w którym nakładany jest ostateczny kształt pręta, pręt jest następnie spryskiwany wodą, która hartuje zewnętrzną powierzchnię pręta. Prędkość pręta i ilość wody są dokładnie kontrolowane, aby pozostawić rdzeń batonu nieugaszony. Gorący rdzeń następnie odpuszcza już hartowaną część zewnętrzną, pozostawiając pręt o wysokiej wytrzymałości, ale również z pewnym stopniem ciągliwości.

Kowalstwo

Hartowanie było pierwotnie procesem stosowanym i rozwijanym przez kowali (fałszerzy żelaza). Proces ten został najprawdopodobniej rozwinięty przez Hetytów z Anatolii (dzisiejsza Turcja) w XII lub XI wieku pne. Bez znajomości metalurgii, odpuszczanie zostało pierwotnie opracowane metodą prób i błędów.

Ponieważ do czasów współczesnych istniało niewiele metod precyzyjnego pomiaru temperatury, temperaturę zwykle oceniano na podstawie obserwacji kolorów odpuszczania metalu. Odpuszczanie często polegało na ogrzewaniu nad węglem drzewnym lub kuźnią węgla lub przez ogień, więc utrzymanie pracy w dokładnie odpowiedniej temperaturze przez odpowiedni czas zwykle nie było możliwe. Hartowanie odbywało się zwykle przez powolne, równomierne przegrzewanie metalu, co oceniono po kolorze, a następnie natychmiastowe chłodzenie, na świeżym powietrzu lub przez zanurzenie w wodzie. Dało to taki sam efekt jak ogrzewanie w odpowiedniej temperaturze przez odpowiedni czas i uniknęło kruchości przez odpuszczanie w krótkim okresie czasu. Jednakże, chociaż istnieją przewodniki dotyczące koloru odpuszczania, ta metoda odpuszczania zwykle wymaga dużej ilości ćwiczeń, aby ją udoskonalić, ponieważ ostateczny wynik zależy od wielu czynników, w tym składu stali, szybkości z jaką była podgrzewana, rodzaju źródło ciepła ( utlenianie lub nawęglanie ), szybkość chłodzenia, warstwy oleju lub zanieczyszczenia na powierzchni i wiele innych okoliczności, które różnią się w zależności od kowala, a nawet zadania. Grubość stali również odgrywa rolę. W przypadku grubszych przedmiotów łatwiej jest podgrzać tylko powierzchnię do odpowiedniej temperatury, zanim ciepło będzie mogło przez nią przeniknąć. Jednak bardzo grube elementy mogą nie być w stanie utwardzić się w całości podczas hartowania.

Hartowanie kolorów

Kawałki płaskownika ze stali hartowanej na wskroś. Pierwsza, po lewej, to stal znormalizowana. Drugi to hartowany, nie odpuszczony martenzyt. Pozostałe kawałki były hartowane w piecu do odpowiedniej temperatury, każdy przez godzinę. Takie „wzorce hartowania” są czasami używane przez kowali do porównań, zapewniając, że praca jest hartowana do odpowiedniego koloru.

Jeśli stal została świeżo zmielona, ​​wyszlifowana lub wypolerowana, po podgrzaniu utworzy warstwę tlenku na swojej powierzchni. Wraz ze wzrostem temperatury stali rośnie również grubość tlenku żelaza . Chociaż tlenek żelaza zwykle nie jest przezroczysty, takie cienkie warstwy przepuszczają światło, odbijając się od górnej i dolnej powierzchni warstwy. Powoduje to zjawisko zwane interferencją cienkowarstwową , które powoduje powstawanie kolorów na powierzchni. Wraz ze wzrostem grubości tej warstwy wraz z temperaturą powoduje to zmianę barwy z bardzo jasnożółtej na brązową, następnie fioletową, a następnie niebieską. Kolory te pojawiają się w bardzo precyzyjnych temperaturach i zapewniają kowalowi bardzo dokładny miernik do pomiaru temperatury. Różne kolory, odpowiadające im temperatury i niektóre z ich zastosowań to:

  • Bladożółty - 176 ° C (349 ° F) - grawerki, maszynki do golenia, skrobaki
  • Lekka słoma - 205 ° C (401 ° F) - wiertarki do skał, rozwiertaki, piły do ​​metalu
  • Ciemna słoma - 226 ° C (439 ° F) - rysiki, noże strugarskie
  • Brązowy - 260 ° C (500 ° F) - gwintowniki, narzynki, wiertła, młotki, przecinaki
  • Fioletowy - 282 ° C (540 ° F) - narzędzia chirurgiczne, stemple, narzędzia do rzeźbienia w kamieniu
  • Ciemnoniebieski - 310 ° C (590 ° F) - wkrętaki, klucze
  • Jasnoniebieski - 337 ° C (639 ° F) - sprężyny, piły do ​​cięcia drewna
  • Szaro-niebieski - 371 ° C (700 ° F) i więcej - stal konstrukcyjna

Poza szaroniebieskim kolorem tlenek żelaza traci swoją przezroczystość i nie można już w ten sposób oceniać temperatury. W miarę upływu czasu grubość warstwy będzie również zwiększać się, co jest kolejnym powodem przegrzania i natychmiastowego chłodzenia. Stal w piecu do odpuszczania, utrzymywana w temperaturze 205 ° C (401 ° F) przez długi czas, zacznie brązowieć, purpurowo lub niebiesko, mimo że temperatura nie przekroczyła temperatury potrzebnej do uzyskania jasnosłomkowego koloru. Utleniające lub nawęglające źródła ciepła mogą również wpłynąć na wynik końcowy. Warstwa tlenku żelaza, w przeciwieństwie do rdzy , chroni również stal przed korozją poprzez pasywację .

Odpuszczanie różnicowe

Miecz o różnym temperowaniu. Środek jest hartowany do sprężystej twardości, podczas gdy krawędzie są hartowane nieco mocniej niż młotek.

Odpuszczanie różnicowe to metoda zapewniania różnych ilości odpuszczania różnym częściom stali. Metodę tę często stosuje się w kowalstwie , do robienia noży i mieczy , aby zapewnić bardzo twardą krawędź przy jednoczesnym zmiękczeniu grzbietu lub środka ostrza. Zwiększyło to wytrzymałość przy zachowaniu bardzo twardej, ostrej, odpornej na uderzenia krawędzi, co pomaga zapobiegać pękaniu. Technika ta była częściej spotykana w Europie, w przeciwieństwie do technik hartowania różnicowego bardziej powszechnych w Azji, takich jak japońskie szermierstwo .

Hartowanie różnicowe polega na doprowadzeniu ciepła tylko do części łopatki, zwykle grzbietu lub środka ostrzy obosiecznych. W przypadku ostrzy jednosiecznych ciepło, często w postaci płomienia lub rozgrzanego do czerwoności pręta, jest przykładane tylko do grzbietu ostrza. Ostrze jest następnie uważnie obserwowane, gdy kolory hartowania tworzą się i powoli przesuwają się w kierunku krawędzi. Ciepło jest następnie usuwane, zanim jasnosłomkowy kolor osiągnie krawędź. Kolory będą nadal przesuwać się w kierunku krawędzi przez krótki czas po usunięciu ciepła, więc kowal zazwyczaj usuwa ciepło trochę wcześnie, tak że bladożółty tylko dociera do krawędzi i nie przemieszcza się dalej. Podobną metodę stosuje się w przypadku ostrzy obosiecznych, ale źródło ciepła jest przykładane do środka ostrza, pozwalając kolorom na pełzanie w kierunku każdej krawędzi.

Przerwane hartowanie

Metody przerywanego hartowania są często nazywane odpuszczaniem, chociaż procesy te bardzo różnią się od tradycyjnego hartowania. Metody te polegają na hartowaniu w temperaturze określonej powyżej, które jest na początku martenzytu (m s ) temperatury, a następnie utrzymywano w tej temperaturze przez dłuższe okresy czasu. W zależności od temperatury i czasu pozwala to na utworzenie czystego bainitu lub wstrzymanie tworzenia martenzytu, dopóki większość wewnętrznych naprężeń nie zmniejszy się. Metody te znane są jako hartowanie i martemperowanie.

Austempering

Wykres transformacji czasowo-temperaturowej (TTT). Czerwona linia przedstawia krzywą chłodzenia dla hartowania.

Austempering to technika używana do tworzenia czystego bainitu, przejściowej mikrostruktury znajdującej się między perlitem a martenzytem. W normalizowaniu zarówno górny, jak i dolny bainit są zwykle mieszane z perlitem. Aby uniknąć tworzenia się perlitu lub martenzytu, stal hartuje się w kąpieli stopionych metali lub soli. To szybko schładza stal poza punkt, w którym może tworzyć się perlit, do zakresu tworzenia bainitu. Stal jest następnie utrzymywana w temperaturze tworzenia bainitu, poza punktem, w którym temperatura osiąga równowagę, aż bainit w pełni się uformuje. Następnie stal wyjmuje się z kąpieli i pozostawia do ostygnięcia na powietrzu, bez tworzenia perlitu lub martenzytu.

W zależności od temperatury przetrzymywania, hartowanie może wytworzyć bainit górny lub dolny. Bainit górny jest strukturą laminatu utworzoną w temperaturach zwykle powyżej 350 ° C (662 ° F) i ma znacznie twardszą mikrostrukturę. Niższy bainit jest strukturą przypominającą igłę, wytwarzaną w temperaturach poniżej 350 ° C i jest mocniejszy, ale znacznie bardziej kruchy. W obu przypadkach hartowanie na zimno daje większą wytrzymałość i wiązkość dla danej twardości, która jest określana głównie przez skład, a nie prędkość chłodzenia, oraz zmniejszone naprężenia wewnętrzne, które mogą prowadzić do pękania. Daje to stal o doskonałej odporności na uderzenia. Nowoczesne stemple i dłuta są często hartowane. Ponieważ hartowanie nie powoduje powstania martenzytu, stal nie wymaga dalszego odpuszczania.

Martempering

Hartowanie martwe jest podobne do hartowania austemperacji, ponieważ stal jest hartowana w kąpieli stopionego metalu lub soli, aby szybko schłodzić ją poza zakres tworzenia się perlitu. Jednak w przypadku martenzytu celem jest raczej wytworzenie martenzytu niż bainitu. Stal jest hartowana do znacznie niższej temperatury niż jest używana do hartowania; nieco powyżej temperatury początkowej martenzytu. Metal jest następnie utrzymywany w tej temperaturze, aż temperatura stali osiągnie równowagę. Stal jest następnie usuwana z kąpieli, zanim utworzy się jakikolwiek bainit, a następnie pozostawia się ją do ostygnięcia na powietrzu, zamieniając ją w martenzyt. Przerwa w chłodzeniu pozwala na rozluźnienie większości naprężeń wewnętrznych przed powstaniem martenzytu, zmniejszając kruchość stali. Jednak stal ulepszana cieplnie martwa zwykle będzie wymagała dalszego odpuszczania, aby dostosować twardość i wiązkość, z wyjątkiem rzadkich przypadków, w których wymagana jest maksymalna twardość, a towarzysząca jej kruchość nie. Nowoczesne pliki są często poddawane obróbce martempered.

Procesy fizyczne

Odpuszczanie obejmuje trzyetapowy proces, w którym niestabilny martenzyt rozkłada się na ferryt i niestabilne węgliki, a na koniec na stabilny cementyt, tworząc różne etapy mikrostruktury zwanej martenzytem odpuszczonym. Martenzyt składa się zazwyczaj z listew (pasków) lub płytek, czasami wyglądających jak igiełkowate lub soczewkowate (soczewkowate). W zależności od zawartości węgla zawiera również pewną ilość „austenitu szczątkowego”. Austenit szczątkowy to kryształy, które nie są w stanie przekształcić się w martenzyt, nawet po hartowaniu poniżej temperatury wykończenia martenzytu (M f ). Wzrost zawartości stopów lub węgla powoduje wzrost austenitu szczątkowego. Austenit ma znacznie wyższą energię błędu układania niż martenzyt lub perlit, obniżając odporność na zużycie i zwiększając prawdopodobieństwo zacierania , chociaż część lub większość austenitu szczątkowego może zostać przekształcona w martenzyt przez obróbkę zimną i kriogeniczną przed odpuszczaniem.

Martenzyt tworzy się podczas transformacji bezdyfuzyjnej , w której przemiana zachodzi z powodu naprężeń ścinających powstałych w sieciach krystalicznych, a nie przez zmiany chemiczne zachodzące podczas wytrącania. Naprężenia ścinające powodują wiele defektów lub „ dyslokacji ” pomiędzy kryształami, zapewniając mniej stresujące obszary przemieszczania się atomów węgla. Po podgrzaniu atomy węgla najpierw migrują do tych defektów, a następnie zaczynają tworzyć niestabilne węgliki. Zmniejsza to ilość całkowitego martenzytu, zmieniając jego część w ferryt. Dalsze ogrzewanie jeszcze bardziej redukuje martenzyt, przekształcając niestabilne węgliki w stabilny cementyt.

Pierwszy etap odpuszczania zachodzi od temperatury pokojowej do 200 ° C (392 ° F). W pierwszym etapie węgiel wytrąca się do ε-węgla (Fe 2,4 C). W drugim etapie, występującym między 150 ° C (302 ° F) a 300 ° C (572 ° F), austenit szczątkowy przekształca się w formę niższego bainitu zawierającego ε-węgiel zamiast cementytu (archaicznie nazywanego „troostytem ”). Trzeci etap zachodzi w temperaturze 200 ° C (392 ° F) i wyższej. W trzecim etapie ε-węgiel wytrąca się do cementytu, a zawartość węgla w martenzycie spada. W przypadku odpuszczania w wyższych temperaturach, od 650 ° C (1202 ° F) do 700 ° C (1292 ° F) lub przez dłuższy czas, martenzyt może stać się w pełni ferrytyczny, a cementyt może stać się grubszy lub sferoidyzować. W stali sferoidyzowanej siatka cementytu rozrywa się i cofa do prętów lub kulistych kulistych kulek, a stal staje się bardziej miękka niż stal wyżarzana; prawie tak miękki jak czyste żelazo, dzięki czemu jest bardzo łatwy w formowaniu lub obróbce .

Kruchość

Kruchość występuje podczas odpuszczania, gdy w określonym zakresie temperatur stal doświadcza wzrostu twardości i zmniejszenia ciągliwości, w przeciwieństwie do normalnego spadku twardości, który występuje po obu stronach tego zakresu. Pierwszy typ nazywany jest kruchością martenzytu odpuszczonego (TME) lub kruchością jednostopniową. Drugi jest określany jako kruchość odpuszczania (TE) lub kruchość dwuetapowa.

Kruchość jednostopniowa występuje zwykle w stali węglowej w temperaturach od 230 ° C (446 ° F) do 290 ° C (554 ° F) i była historycznie określana jako „kruchość 500 stopni [Fahrenheita]”. Ta kruchość występuje z powodu wytrącania się igieł lub płytek Widmanstattena , wykonanych z cementytu, w granicach martenzytu między warstwami. Zanieczyszczenia, takie jak fosfor lub środki stopowe, takie jak mangan , mogą zwiększać kruchość lub zmieniać temperaturę, w której ona występuje. Ten rodzaj kruchości jest trwały i można go złagodzić jedynie poprzez podgrzanie powyżej górnej temperatury krytycznej, a następnie ponowne hartowanie. Jednak te mikrostruktury zwykle wymagają godziny lub więcej, aby uformować się, więc zwykle nie stanowią problemu w kowalskiej metodzie odpuszczania.

Kruchość dwuetapowa występuje zwykle w wyniku starzenia metalu w krytycznym zakresie temperatur lub przez powolne chłodzenie w tym zakresie.W przypadku stali węglowej jest to zwykle między 370 ° C (698 ° F) a 560 ° C (1040 ° F) chociaż zanieczyszczenia, takie jak fosfor i siarka , dramatycznie zwiększają efekt. Dzieje się tak zwykle, ponieważ zanieczyszczenia mogą migrować do granic ziaren, tworząc słabe punkty w strukturze. Kruchości można często uniknąć, szybko schładzając metal po odpuszczaniu. Kruchość dwuetapowa jest jednak odwracalna. Kruchość można wyeliminować przez podgrzanie stali do temperatury powyżej 600 ° C (1112 ° F), a następnie szybkie schłodzenie.

Stale stopowe

Wiele pierwiastków jest często stapianych ze stalą. Głównym celem stopowania większości pierwiastków ze stalą jest zwiększenie jej hartowności i zmniejszenie mięknienia pod wpływem temperatury. Na przykład stale narzędziowe mogą zawierać dodatki takie jak chrom lub wanad w celu zwiększenia zarówno udarności, jak i wytrzymałości, co jest niezbędne w przypadku takich rzeczy, jak klucze i śrubokręty . Z drugiej strony wiertła i pilniki obrotowe muszą zachowywać swoją twardość w wysokich temperaturach. Dodanie kobaltu lub molibdenu może spowodować, że stal zachowa swoją twardość, nawet w wysokich temperaturach, tworząc stale szybkotnące. Często do stali dodaje się niewielkie ilości wielu różnych pierwiastków, aby uzyskać pożądane właściwości, zamiast po prostu dodawać jeden lub dwa.

Większość pierwiastków stopowych (substancji rozpuszczonych) ma tę zaletę, że nie tylko zwiększa twardość, ale także obniża zarówno temperaturę początkową martenzytu, jak i temperaturę, w której austenit przekształca się w ferryt i cementyt. Podczas hartowania pozwala to na wolniejsze chłodzenie, co pozwala na hartowanie elementów o grubszych przekrojach do większych głębokości niż jest to możliwe w przypadku zwykłej stali węglowej, co zapewnia większą jednorodność wytrzymałości.

Metody odpuszczania stali stopowych mogą się znacznie różnić w zależności od rodzaju i ilości dodanych pierwiastków. Ogólnie rzecz biorąc, pierwiastki takie jak mangan , nikiel , krzem i glin pozostają rozpuszczone w ferrytie podczas odpuszczania, podczas gdy węgiel wytrąca się. Po schłodzeniu te substancje rozpuszczone zwykle powodują wzrost twardości w porównaniu ze zwykłą stalą węglową o tej samej zawartości węgla. Gdy hartowane stale stopowe zawierające umiarkowane ilości tych pierwiastków są odpuszczane, stop zwykle mięknie w pewnym stopniu proporcjonalnie do stali węglowej.

Jednak podczas odpuszczania pierwiastki takie jak chrom, wanad i molibden wytrącają się wraz z węglem. Jeśli stal zawiera dość niskie stężenia tych pierwiastków, mięknięcie stali można opóźnić aż do osiągnięcia znacznie wyższych temperatur w porównaniu z temperaturami potrzebnymi do odpuszczania stali węglowej. Pozwala to stali zachować twardość w zastosowaniach o wysokiej temperaturze lub dużym tarciu. Jednak wymaga to również bardzo wysokich temperatur podczas odpuszczania, aby osiągnąć zmniejszenie twardości. Jeśli stal zawiera duże ilości tych pierwiastków, odpuszczanie może spowodować wzrost twardości, aż do osiągnięcia określonej temperatury, w którym to momencie twardość zacznie spadać. Na przykład stale molibdenowe osiągają zazwyczaj najwyższą twardość około 315 ° C (599 ° F), podczas gdy stale wanadowe utwardzają się całkowicie po odpuszczeniu do około 371 ° C (700 ° F). W przypadku dodania bardzo dużych ilości substancji rozpuszczonych stale stopowe mogą zachowywać się jak stopy utwardzane wydzieleniowo, które w ogóle nie miękną podczas odpuszczania.

Żeliwo

Żeliwo występuje w wielu rodzajach, w zależności od zawartości węgla. Jednak zwykle dzieli się je na żeliwo szare i białe, w zależności od postaci, jaką przyjmują węgliki. W żeliwie szarym węgiel występuje głównie w postaci grafitu , ale w żeliwie białym węgiel występuje zwykle w postaci cementytu . Żeliwo szare składa się głównie z mikrostruktury zwanej perlitem , zmieszanej z grafitem, a czasem ferrytem. Żeliwo szare jest zwykle stosowane jako odlew, a jego właściwości określa jego skład.

Żeliwo białe składa się głównie z mikrostruktury zwanej ledeburytem zmieszanej z perlitem. Ledeburyt jest bardzo twardy, przez co żeliwo jest bardzo kruche. Jeśli żeliwo białe ma skład podeutektyczny , jest zwykle odpuszczane w celu wytworzenia żeliwa ciągliwego lub sferoidalnego. Stosowane są dwie metody odpuszczania, zwane „białym odpuszczaniem” i „czarnym odpuszczaniem”. Celem obu metod odpuszczania jest spowodowanie rozkładu cementytu w ledeburycie, co zwiększa plastyczność.

Hartowane na biało

Żeliwo ciągliwe (porowate) jest wytwarzane przez hartowanie na biało. Białe odpuszczanie służy do wypalania nadmiaru węgla poprzez ogrzewanie go przez dłuższy czas w środowisku utleniającym. Żeliwo będzie zwykle utrzymywane w temperaturach dochodzących do 1000 ° C (1830 ° F) nawet przez 60 godzin. Po ogrzewaniu następuje powolne chłodzenie do około 10 ° C (18 ° F) na godzinę. Cały proces może trwać 160 godzin lub dłużej. To powoduje, że cementyt rozkłada się z ledeburytu, a następnie węgiel wypala się przez powierzchnię metalu, zwiększając ciągliwość żeliwa.

Hartowanie na czarno

Żeliwo sferoidalne (nieporowate) (często nazywane „czarnym żelazem”) jest produkowane przez czarne odpuszczanie. W przeciwieństwie do białego odpuszczania, czarne odpuszczanie odbywa się w środowisku gazu obojętnego , dzięki czemu rozkładający się węgiel nie ulega spaleniu. Zamiast tego rozkładający się węgiel zamienia się w rodzaj grafitu zwanego „grafitem temperowanym” lub „grafitem łuszczącym się”, zwiększając plastyczność metalu. Odpuszczanie jest zwykle wykonywane w temperaturach dochodzących do 950 ° C (1740 ° F) przez maksymalnie 20 godzin. Po odpuszczaniu następuje powolne chłodzenie do niższej temperatury krytycznej, przez okres, który może trwać od 50 do ponad 100 godzin.

Stopy utwardzane wydzieleniowo

Po raz pierwszy zaczęto stosować stopy utwardzane wydzieleniowo na początku XX wieku. Większość stopów obrabianych cieplnie należy do kategorii stopów utwardzanych wydzieleniowo, w tym stopów aluminium , magnezu , tytanu i niklu . Niektóre stale wysokostopowe są również stopami utwardzanymi wydzieleniowo. Stopy te po hartowaniu stają się bardziej miękkie niż zwykle, a następnie twardnieją z czasem. Z tego powodu utwardzanie wydzieleniowe jest często nazywane „starzeniem”.

Chociaż większość stopów utwardzanych wydzieleniowo twardnieje w temperaturze pokojowej, niektóre utwardzają się tylko w podwyższonych temperaturach, a inne można przyspieszyć proces starzenia w podwyższonych temperaturach. Starzenie w temperaturach wyższych niż temperatura pokojowa nazywane jest „sztucznym starzeniem”. Chociaż metoda jest podobna do odpuszczania, termin „odpuszczanie” zwykle nie jest używany do opisu sztucznego starzenia, ponieważ procesy fizyczne (tj. Wytrącanie faz międzymetalicznych ze stopu przesyconego ) dają pożądane rezultaty (tj. Raczej wzmocnienie niż zmiękczenie) ), a czas utrzymywania określonej temperatury bardzo różni się od odpuszczania stosowanego w stali węglowej.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Poradnik dotyczący procesów produkcyjnych autorstwa Roberta H. Todda, Dell K. Allena i Leo Alting str. 410

Zewnętrzne linki